Мысли вслух 1040

Из чего всё состоит

По давней традиции журнал „Наука и жизнь“ рассказывает о новейших достижениях современной науки, о последних открытиях в области физики, биологии и медицины. Но чтобы понимать, насколько они важны и интересны, необходимо хотя бы в общих чертах иметь представление об основах наук. Современная физика развивается стремительно, и люди старшего поколения, те, кто учился в школе и в институте лет 30–40 назад, со многими её положениями незнакомы: их тогда попросту не существовало. А молодые наши читатели ещё не успели про них узнать: научно-популярная литература практически перестала издаваться. Поэтому мы попросили давнего автора журнала М.И. Каганова рассказать об атомах и элементарных частицах и о законах, ими управляющих, о том, что же представляет собой материя.

Ночью, когда в небе нет облаков, не видна Луна и не мешают фонари, небо заполнено ярко сияющими звёздами. Не обязательно искать знакомые созвездия или стараться найти близкие к Земле планеты. Просто смотрите! Постарайтесь представить себе огромное пространство, которое заполнено мирами и простирается на миллиарды миллиардов световых лет. Только из-за расстояния миры кажутся точками, а многие из них так далеки, что не различимы в отдельности и сливаются в туманности. Кажется, что мы в центре мироздания. Теперь мы знаем, что это не так. Отказ от геоцентризма — большая заслуга науки. Потребовалось много усилий, чтобы было осознано: малютка-Земля движется в случайном, казалось бы, ничем не выделенном участке необозримого (буквально!) пространства.

Но на Земле зародилась жизнь. Она развивалась столь успешно, что сумела произвести человека, способного постигать окружающий его мир, искать и находить законы, управляющие природой. Достижения человечества в познании законов природы столь впечатляющи, что невольно испытываешь гордость от принадлежности к этой щепотке разума, затерянного на периферии заурядной Галактики.

Учитывая разнообразие всего, что нас окружает, поражает воображение существование общих законов. Не менее поразительно то, что всё построено из частиц всего трёх типов — электронов, протонов и нейтронов.

Чтобы, используя основные законы природы, вывести наблюдаемые и предсказать новые свойства разнообразных веществ и объектов, созданы сложные математические теории, разобраться в которых совсем не просто. Но контуры научной картины Мира можно постичь, не прибегая к строгой теории. Естественно, для этого необходимо желание. Но не только: даже на предварительное знакомство придётся затратить определённый труд. Нужно постараться постичь новые факты, незнакомые явления, которые на первый взгляд не согласуются с имеющимся опытом.

Достижения науки часто приводят к мысли, что для неё „нет ничего святого“: то, что вчера было истиной, сегодня отбрасывается. Со знаниями возникает понимание того, как трепетно наука относится к каждой крупице накопленного опыта, с какой осторожностью движется вперёд, особенно в тех случаях, когда приходится отказываться от укоренившихся представлений.

Задача этого рассказа — познакомить с принципиальными чертами строения неорганических веществ. Несмотря на бесконечное разнообразие, их структура сравнительно проста. Особенно, если сравнивать их с любым, даже самым простым живым организмом. Но есть и общее: все живые организмы, как и неорганические вещества, построены из электронов, протонов и нейтронов.

Нельзя объять необъятное: для того чтобы, хотя бы в общих чертах, познакомить с устройством живых организмов, нужен специальный рассказ.
Введение

Разнообразие вещей, предметов — всего, чем мы пользуемся, что нас окружает, необозримо. Не только по своему предназначению и устройству, но и по используемым для их создания материалам — веществам, как принято говорить, когда нет необходимости подчеркивать их функцию.

Греческий философ Демокрит первым произнёс слово „атом“. Согласно его учению, атомы неделимы, неуничтожимы и находятся в постоянном движении. Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела. В природе существуют только атомы и пустота.

Вещества, материалы выглядят сплошными, а осязание подтверждает то, что видят глаза. Казалось бы, нет исключений. Текучая вода и твёрдый металл, столь непохожие друг на друга, сходны в одном: и металл и вода сплошные. Правда, в воде можно растворить соль или сахар. Они находят себе в воде место. Да и в твёрдое тело, например в деревянную доску, можно вбить гвоздь. Приложив заметные усилия, можно добиться того, что место, которое было занято деревом, займёт железный гвоздь.

Мы хорошо знаем: от сплошного тела можно отломить небольшой кусочек, можно измельчить практически любой материал. Иногда это трудно, порой происходит самопроизвольно, без нашего участия. Представим себя на пляже, на песке. Мы понимаем: песчинка — далеко не самая мелкая частица вещества, из которого состоит песок. Если постараться, можно песчинки уменьшить, например, пропустив через вальцы — через два цилиндра из очень твёрдого металла. Попав между вальцами, песчинка раздробится на более мелкие части. По сути, так из зерна на мельницах делают муку.

Теперь, когда атом прочно вошёл в наше мироощущение, очень трудно представить себе, что люди не знали, ограничен процесс дробления или вещество можно размельчать до бесконечности.

Неизвестно, когда люди впервые задали себе этот вопрос. Впервые он был зафиксирован в сочинениях древнегреческих философов. Некоторые из них считали, что, сколько ни дроби вещество, оно допускает деление на ещё более мелкие части — предела нет. Другие высказывали мысль, что существуют мельчайшие неделимые частицы, из которых и состоит всё. Чтобы подчеркнуть, что частицы эти — предел дробления, они назвали их атомами (по-древнегречески слово „атом“ означает неделимый).

Ни один самый совершенный оптический микроскоп не позволяет увидеть отдельные атомы — его увеличение в тысячи раз меньше, чем требуется для этой цели. Но в 1951 году Эрвин Мюллер изобрёл ионный микроскоп, позволивший в деталях разглядеть атомную структуру металла. В камеру с гелием низкого давления помещается металлическая игла, на которую подаётся высокий положительный потенциал. Атомы гелия прилипают к металлу, ионизуются и летят к отрицательно заряженному экрану, рисуя на нём структуру кристаллической решетки металла. На снимке: поверхность кристалла вольфрама, увеличенная в 10 миллионов раз; каждая яркая точка — его отдельный атом.